Группа ученых под предводительством гарвардского профессора физики Михаила Лукина и профессора физики Массачусетского технологического института Владана Вулетича сделала неожиданное открытие в области человеческих знаний о природе света: им удалось получить состояние вещества, всего несколько недель назад считавшееся чисто теоретическим: фотоны, действующие, как будто у них есть масса.
На протяжении десятилетий фотоны описываются как безмассовые частицы, которые не взаимодействуют друг с другом. Например, направим два лазерных луча друг на друга — они просто пройдут насквозь.
Молекулы света: от традиционного лазера до светового меча
Фото: Flickr. PackardFoundation
Ученым из Центра ультрахолодных атомов Harvard-MIT удалось создать особый тип среды (которую они называют «экстремальной»), в которой фотоны так сильно взаимодействуют друг с другом, что начинают действовать, как будто у них есть масса, и связываются вместе, образуя молекулы.
По словам Лукина, вполне уместно провести аналогию со световыми лучами, которые до сих пор считались продуктом научной фантастики и встречались нам в фильмах, подобных «Звездным войнам». Предполагаемые физические основы того, что мы видим в кино, очень похожи на недавнее открытие ученых: вступая во взаимодействие между собой, фотоны давят и отклоняют друг друга.
Эксперимент
Исследователи накачали атомы рубидия в вакуумную камеру, создав атомное облако, которое затем охладили почти до абсолютного нуля. Используя крайне слабые лазерные импульсы, они выстреливали одиночные фотоны в облако атомов. «Когда фотоны попадают в облако холодных атомов, их энергия возбуждает атомы на пути, в результате чего фотоны крайне замедляются. Пока фотон двигается через облако, энергия передается от атома к атому и выходит из облака вместе с фотоном», объясняет Лукин в статье, опубликованной на сайте Гарвардского университета. «Когда фотон выходит из среды, его идентичность сохраняется. Примерно такой же эффект мы видим во время преломления света в стакане воды. Свет входит в воду, отдает часть энергии среде, а в ней существует как связь света и материи. Но когда он выходит, остается светом. В нашем случае процесс точно такой же, но более экстремальный: свет значительно замедляется и гораздо больше энергии отдается, чем во время преломления», — добавляет Лукин.
Фотоны с сильным взаимным притяжением в квантовой нелинейной среде. (Изображение: Nature).
Когда Лукин и его коллеги запустили два фотона в облако, они удивились, обнаружив, что оба вышли, образуя целую молекулу. Объяснение произошедшего заключается в эффекте блокады Ридберга: когда атом возбуждается, ближайшие атомы не могут быть возбуждены до такой же степени. На практике этот эффект означает, что когда два фотона входят в атомное облако, первый возбуждает атом, но должен двигаться вперед, прежде чем второй фотон возбудит ближайшие атомы. В результате два фотона тянут и толкают друг друга через облако, а их энергия передается от одного атома к другому. Это приводит к тому, что два фотона ведут себя как молекула и, когда они выходят из среды, они с большой вероятностью сделают это как молекула, а не как единичные фотоны
Лукин признает, что недавнее открытие имеет множество практических применений, добавляя, что физические основы открытого ими явления имеют несомненно важное значение и, среди прочего, позволят построить квантовый компьютер.
